한국원자력연구원(원장 정연호)과 한국생명공학연구원(원장 오태광)이 단백질 등 바이오 물질의 3차원 입체 구조를 정확하게 분석함으로써 신약 및 바이오 신소재 개발 등 바이오 융합 연구에 활용할 수 있는 ‘중성자 바이오 회절장치(Bio-C)’를 연구용 원자로 하나로(HANARO)에 공동으로 구축했다.

한국원자력연구원 조상진 박사, 김신애 박사-한국생명공학연구원 윤태성 박사 팀은 미래창조과학부 원자력연구기반확충사업의 지원으로 2010년 5월부터 2012년 6월까지 Bio-C 장치를 공동으로 개발·설치하고, 기초기술연구회의 협동연구사업으로 1년 여에 걸쳐 장치 최적화와 초기 실험을 거친 끝에 11월 19일 준공식을 가졌다.

양 기관이 공동 구축한 Bio-C는 연구용 원자로 하나로에서 생성되는 중성자의 회절 특성을 이용, 기존의 X-선으로는 분석이 용이하지 않은 단백질 등 거대 분자 내의 수소 원자의 위치를 정확하게 분석할 수 있는 첨단 연구 장치로, 프랑스, 일본, 미국, 독일, 호주에 이어 세계 6번째로 구축됐다.

하나로 내에 설치된 이 장치는 중성자를 이용해 시료의 고분해능 회절 이미지를 중성자 영상판(Neutron Image Plate)으로 검출하는 중성자 회절 장치의 일종으로, 중성자 단색기, 차폐 시설 및 중성자 영상판으로 구성돼 있다.

※ 회절(回折, diffraction) : 빛과 같은 파동이 장애물(물질)을 만났을 때 물질 내부의 원자들 사이를 투과하면서 뒤쪽으로 휘어져 도달하는 현상. 회절 무늬를 분석하면 물질의 성분과 위치에 대한 정보를 얻을 수 있다. X-선이나 방사광도 파장은 원자간 거리 수준으로 중성자와 비슷하지만 원자 내부의 전자와 반응하기 때문에 투과력이 낮은데 비해, 중성자는 전하가 없어 원자 내부의 핵과 반응하는 특성상 투과력이 월등하다. 이런 장점을 이용하면 가벼운 원소들인 수소나 산소 등의 성분과 위치, 동위원소간의 차이 분별, 인접한 원소간의 합금이나 화합물, 자성 구조(magnetic structure)의 연구 등에서 보다 정확하고 정밀한 연구가 가능해진다.

Bio-C는 양 기관이 2011년 3월 17일 바이오 융합 연구를 위한 상호협력협약을 맺고 장치 공동 개발 및 구축을 수행해온 결과물로, 이종 기술의 융복합(원자력+생명공학)을 통해 바이오 융합 연구의 새 장을 열기 위한 출연연간 협업의 산물이다.

이 장치를 이용하면 단백질 등 바이오 물질의 수소 원자 및 수소화합물의 구조를 포함하는 3차원 입체구조 분석이 가능해져 표적 단백질의 구조를 기반으로 약물을 설계하는 구조 기반 신약 개발에 필요한 핵심적인 정보를 얻을 수 있다. 또한 바이오 수소 및 나노 소재 등 에너지/소재 관련 연구 개발에도 활용되는 등 구조 기반 바이오 융합 연구의 핵심 인프라 시설로 활용될 것으로 기대된다.

※ 구조기반 신약 설계(SBDD; Structure-Based Drug Design) : 질병을 일으키는 단백질을 자물쇠-치료약을 열쇠라고 했을 때, 자물쇠의 내부 구조를 파악하고 합리적인 디자인을 통해 열쇠를 만드는 방법을 구조 기반 신약 설계(SBDD)라고 한다. 자물쇠(단백질)의 입체 구조는 X-선, NMR(핵자기공명) 또는 중성자빔 실험을 통해 밝힐 수 있는데, X-선 또는 방사광으로는 뼈대 구조를 빠르게 구할 수 있는 반면, 중성자빔을 이용하면 수소 원자 및 수화 구조를 정확히 알 수 있으므로 더 정밀한 3차원 입체구조 정보를 얻게 된다. X-선 및 방사광과 중성자빔 구조 측정을 상호보완적으로 사용한 SBDD는 합리적 약물 설계에 기반하기 때문에 고효율-저비용으로 부작용이 적은 선도물질 도출의 확률이 높다.

중성자를 이용한 단백질 구조분석 장치는 현재 프랑스, 일본, 미국, 독일, 호주 등 5개국이 보유하고 있지만, 일본은 후쿠시마 지진 발생 이후 연구용 원자로의 운전을 재개하지 못해 장치를 활용하지 못하고 있고 미국, 독일, 호주는 장치 설치와 시운전을 마치고 최근 활용을 시작한 단계다.

Bio-C는 내부 연구자와 공동 연구자의 초기 연구를 거쳐 2014년부터 국내 산학연 이용자에게 개방될 예정으로, 2015년 완공 예정인 제4세대 포항 방사광 가속기와 상호 보완하여 구조 기반 바이오 융합 연구의 핵심 인프라 시설로 활용될 것으로 기대된다.